JP2011186252A - 偏光変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化可能であって低コストで製造することが可能な偏光変換素子を提供する。
【解決手段】入射した光を２つの方向に偏向させ出射させるものであって、前記２つの方向のうち、一方の方向に偏向させる第１の領域１１ａと、他方の方向に偏向させる第２の領域１１ｂとが、各々所定の幅で交互に形成された第１の偏向部１１と、相互に直交する偏光成分の光を異なる角度で出射させる偏光分離部１２と、異なる入射角度の光を略同一の方向の出射角度の光として出射する第２の偏向部１４と、１／４位相差部が、前記所定の幅で、前記所定の幅と同じ長さの間隔で形成されている偏光回転部１５と、を有し、前記偏光分離部と前記第２の偏向部とは所定のギャップ間隔で配置され、前記第１の偏向部、前記偏光分離部、前記第２の偏向部、前記偏光回転部は、すべて各々透明な基板面に、または、透明な基板上に形成された膜構造により形成されている偏光変換素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光変換素子に関する。

従来の偏光変換素子について、以下に記載する偏光変換素子の要素技術に基づき説明する。

偏光とは、光の電気振動（または、電気信号に直交する磁気振動）の振動方向がランダムな状態である白色光に対し、振動の方向が揃っている光である。

代表的な、偏光制御素子として偏光選択素子があり、例えば、偏光板がある。この偏光板は、自然偏光や偏光した光から特定の偏光成分を取り出す素子であり、入射光の直交する偏光の二成分の一方のみを透過させ、他方を吸収または反射、散乱させることにより遮蔽するものである。現在広く使われている液晶パネルにおいては、偏光板を用いることにより画像表示させている。このような偏光板は、ヨウ素や有機染料等を含ませた高分子のフィルムを特定方向に延伸させることにより形成されるものであり、一定方向の直線偏光の光だけを透過させ、この直線偏光の光に直交する偏光の光を吸収する構成のフィルム型の偏光板が広く実用化されている（例えば、特許文献１）。

また、別の偏光制御素子として、偏光分離素子がある。偏光分離素子は、入射角度に対して二つの偏光成分における反射率、透過率の違いを利用して、各偏光成分の出射角度を分離する機能を有する素子である。

一例として、結晶の複屈折性を利用したプリズム型偏光子が知られている。複屈折を利用する偏光子は、光学結晶材料により形成されており、通常、ルチルや方解石等の高価な結晶をくさび形またはプリズム型に精密に加工をすることにより形成される。このようにして形成された素子は、極めて高価であり、また、所定の大きさを必要とするため小型化が困難であり、使用できる波長領域に制限がある等の課題があった。

このような結晶を用いた素子に対して、分離性能は劣るものの安価に入手することができるものとして、誘電体多層膜を用いた偏光ビームスプリッタがある。このような偏光ビームスプリッタとしては、ガラス製のプリズム面や基板面に、誘電体多層膜を積層したものが知られている。膜のそれぞれの界面においてブリュースター角となるように、膜の構造や、入射角を設定することにより、Ｐ偏光（入射面に平行な偏光）は多層膜を透過し、Ｓ偏光（入射面に垂直な偏光）は反射するため、偏光方向に応じて光を分離することができる。

また別の偏光制御素子として、１／２波長板や１／４波長板等のようにリタデーションプレートとして用いられているものがある。リタデーションプレートは、複屈折性の材料により形成されており、結晶の配向に依存した常光線と異常光線との屈折率の違いにより、偏光状態を変調するものである。この常光線と異常光線との光路差が波長の１／２となるものが１／２波長板（half-wave plate）であり、波長の１／４となるものが１／４波長板（quarter-wave plate）である。このような複屈折性を示す材料としては、液晶プロジェクタ等の映像機器に広く用いられている高分子フィルムが挙げられる。このような高分子フィルムは、ポリビニルアルコールやポリカーボネートの透明フィルムを一定方向に延伸させて位相差を形成し、これをリターダンス（屈折率異方性）が得られるように積層させたものが一般的である。しかしながら、このような樹脂フィルムは、紫外線に対して影響を受けやすく、また、長時間使用することにより特性が劣化し、透明度が低下する等の信頼性において問題を有している。また、使用する際の温度条件が厳しく、液晶プロジェクタ等で使用する場合、使用環境における温度上昇を防ぐため、空冷のための冷却機構等を設ける必要がある。しかしながら、このような冷却機構等を用いた場合、偏光制御素子や光学系に埃等が付着し表示される画像の品質を低下させてしまう。

更に、別の例として旋光素子がある。旋光素子は、直線偏光の偏光面を任意に回転させ、直線偏光のまま出射させる素子である。このような偏光制御素子は、例えば、液晶パネルや有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイにおける画素のオン・オフの制御に用いられる。この他の用途としては、エリプソメトリー（偏光解析）等の光測定技術や、レーザ干渉計、光シャッタ等が挙げられ、様々な光学機器又は計測機器に用いられている。特に、液晶プロジェクタ等の画像投影装置に用いられるものとして、旋光素子の需要が伸びている。

液晶パネル等に用いられる偏光選択素子の多くは、ポリビニルアルコール等の基板フィルムにヨウ素や有機染料等の二色性の材料を染色、吸着させ、延伸、配向させることで吸収二色性を得ることができるものである。

ところで、上述した１／２波長板における問題点を解決する方法として、高分子フィルムに代えて、無機ガラス材料を用いた位相変調素子がある。具体的には、屈折率の異なる２つの媒質（例えば、一方が空気で、他方が等方性媒質）が光の波長よりも短い周期構造を持つような構造であるサブ波長構造（ＳＷＳ：Sub Wavelength Structure）を有する光学素子が広く開発されている。このような光の波長よりも短い周期構造に関する技術としては、特許文献２から４、非特許文献１に記載されている。

このサブ波長構造を有する光学素子は、波長以上の周期を有する構造体により形成される回折光学素子とは、原理的に大きく異なる特性を有しており、特に、周期が光の波長よりも短い回折格子は、サブ波長回折格子と称されている。その中でも、更に周期が短く透過、反射ともに０次回折光しか出現しない周期を有する格子は０次格子と称されている。このような０次格子は、高次の回折光が存在しないため、高次回折光により発生するエネルギー損失がない。よって、光利用効率の高い光学素子である。

このようにサブ波長構造の光学素子を透過した０次回折光は、格子構造に起因する屈折率変化により位相変調が生じることが知られている。例えば、構造周期を一定とし、単位周期あたりの凹部と凸部の面積比を変調（フィルファクター変調）することにより、透過光の波面を制御し、透過光を集光する素子が実現されている。

また、特許文献２では、同様に周期構造のフィルファクター変調をし、かつ、構造体の領域を分割することで、空間的に位相を変調した構造の回折光学素子が開示されている。

また、特許文献３では、円柱状のサブ波長構造体を用い、同様に単位面積当たりの円柱構造が占める面積を変調することにより得られる位相変調光学素子が開示されている。

また、偏光選択素子としては、ワイヤグリッド構造等の微細周期構造を用いたものがある。無機材料による偏光制御素子としては、透明基板に、金やアルミニウムの細線を形成したワイヤグリッド偏光子が提案されている。このような偏光子は、量産性が高く、低コストでの製造することができ、耐熱性に優れている。この偏光子は数μｍの波長の赤外光に対して、機能する偏光素子として知られていたが、近年の微細加工技術が進歩したため、特許文献５に示されるような可視波長（４００〜７００ｎｍ）においても機能するワイヤグリッド構造が開示されている。

ところで、偏光変換素子は、上述した偏光制御素子を組み合わせることにより形成されるものであり、光利用効率の向上のために広く利用されている。このような偏光変換素子は、ランプ光源またはＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源等から出射されるランダム偏光成分を直交する二つの偏光成分に分離して、一方の直線偏光成分の偏光面を９０度回転させ、偏光成分を特定の偏光方向に揃える機能を有している。これにより、特定方向の偏光に対し５０％以上の光利用効率を得ることができ、よって、特定方向の直線偏光を用いる光学機器において用いることが好ましい。

このような素子としては、特許文献６等に示されるように偏光分離、光路分岐した偏光成分をレンズアレイにて集光し、特定の偏光成分のみ偏光回転部を透過させて偏光方向を揃える素子と、特許文献７等に示されるように偏光ビームスプリッタアレイと偏光回転部を用いる素子とがある。

しかしながら、このような素子の場合、複数の偏光制御素子を必要とし、光学素子の数を削減することが困難なことから、高価なものとなり、更には、大型化する傾向にある。

即ち、特許文献６等に記載されている素子の場合、レンズ等による収束・拡散光学系であり、光路長が長くなることから素子全体の構成が大型なものとなってしまい、小型化することは困難である。また、レンズ光学系のアライメントが煩雑であることから、素子の製造コストが高くなるという問題点を有している。また、特許文献７等に記載されているものの場合、主にキューブプリズムアレイにより構成されるが、プリズム自体が高価であること、アレイ化のための接着工程を行う必要があることから、製造コストが高く非常に高価な素子となってしまう。また、プリズムアレイは一定の大きさを必要とするため、小型化には限界があり、また、接着剤により接着しているものであるため、外部環境による影響も受けやすく、経時的な性能の劣化も生じやすい。

よって、本発明は、上記従来技術に鑑み、小型化可能であって低コストで製造することが可能な偏光変換素子を提供することを目的とするものである。

本発明は、入射した光を２つの方向に偏向させ出射させるものであって、前記２つの方向のうち、一方の方向に偏向させる第１の領域と、他方の方向に偏向させる第２の領域とが、各々所定の幅で交互に形成された第１の偏向部と、相互に直交する偏光成分の光を異なる角度で出射させる偏光分離部と、異なる入射角度の光を略同一の方向の出射角度の光として出射する第２の偏向部と、１／４位相差部が、前記所定の幅で、前記所定の幅と同じ長さの間隔で形成されている偏光回転部と、を有し、前記偏光分離部と前記第２の偏向部とは所定のギャップ間隔で配置され、前記第１の偏向部に入射する光の光軸方向、前記一方の方向及び前記他方の方向は、すべて同一面における方向であって、前記他方の方向は、前記光軸を介し、前記一方の方向とは反対方向となるものであって、前記第１の偏向部、前記偏光分離部、前記第２の偏向部、前記偏光回転部は、すべて各々透明な基板面に形成されていること、または、透明な基板上に形成された膜構造により形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、光を透過する第１の基板と第２の基板とを有し、前記第１の基板の一方の面には、入射した光を２つの方向に偏向させて光を出射させるものであって、前記２つの方向のうち、一方の方向に偏向させる第１の領域と、他方の方向に偏向させる第２の領域とが、各々所定の幅で交互に配置された第１の偏向部が形成されており、前記第１の基板の他方の面には、相互に直交する偏光成分の光を異なる角度で出射させる偏光分離部が形成されており、前記第２の基板の一方の面には、異なる入射角度の光を略同一の方向の出射角度の光として出射する第２の偏向部が形成されており、前記第２の基板の他方の面には、１／４位相差部が、前記所定の幅で、前記所定の幅と同じ長さの間隔で形成されている偏光回転部が形成されており、前記第１の基板の他方の面と前記第２の基板の一方の面とは所定のギャップ間隔で対向して配置されており、前記第１の偏向部に入射する光の光軸方向、前記一方の方向及び前記他方の方向は、すべて同一面における方向であって、前記他方の方向は、前記光軸を介し、前記一方の方向とは反対方向となるものであることを特徴とする。

また、本発明は、前記光軸と前記一方の方向となす角は、前記光軸と前記他方の方向のなす角と等しいことを特徴とする。

また、本発明は、前記ギャップ間隔の間隔Ｃは、Ｗを前記所定の幅、θを前記光軸と前記一方の方向または前記他方の方向となす角とした場合に、Ｃ＝Ｗ／（２×ｔａｎθ）であることを特徴とする。

また、本発明は、前記偏光分離部は、前記相互に直交する偏光成分のうち、一方の偏光成分の光を直進させ、他方の偏光成分の光を偏向させるものであることを特徴とする。

また、本発明は、前記偏光分離部には、前記入射する光の波長以下、または、同程度の周期を有する回折格子が形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記偏光分離部は、前記偏光分離部に入射した光の０次回折光、１次回折光を出射するものであることを特徴とする。

また、本発明は、前記第１の偏向部における前記第１の領域及び前記第２の領域には、前記基板面に対して傾斜を有する屈折面が各々形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記第１の偏向部における前記第１の領域及び前記第２の領域には、前記入射した光を各々異なる方向に偏向させるための回折格子が形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記第２の偏向部には、前記入射する光の波長よりも長い周期を有する回折格子が形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記第２の偏向部より出射した相互に直交する偏光成分の光のうち、一方の偏光成分の光を前記１／４位相差部に入射させ、他方の偏光成分の光を前記１／４位相差部の形成されていない領域に入射させるように、前記偏光回転部が設置されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記偏光回転部より出射した光を入射させ、所定の偏光方向の光のみを出射させる偏光選択部が設けられていることを特徴とする。

また、本発明は、前記偏光選択部は、前記入射する光の波長よりも短い周期の金属細線構造により形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、小型化可能であって低コストで製造することが可能な偏光変換素子を提供することができる。

第１の実施の形態における偏光変換素子の構造図 第１の実施の形態における偏光変換素子の説明図 第１の偏向部の説明図 プリズム領域に形成されている第１の偏向部の構造図 回折格子領域に形成されている第１の偏向部の構造図 偏光分離部の構造図 偏光分離部の説明図 第２の偏向部の構造図 第２の偏向部の説明図 偏光回転部の構造図 偏光回転部における１／４位相差部を回折格子で形成した場合の説明図 第１の偏向部と偏光回転部の位置関係の説明図 偏光回転部の説明図 第２の実施の形態における偏光変換素子の構造図 第３の実施の形態における偏光変換素子の構造図 第３の実施の形態における他の偏光変換素子の構造図

本発明の実施の形態について説明する。

〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態は、偏光変換素子であり、光源から発せられたランダムな偏光方向の入射光を所定の方向の直線偏光の出射光として出射する素子である。

図１に基づき本実施の形態における偏光変換素子について説明する。本実施の形態における偏光変換素子は、第１の偏向部１１、偏光分離部１２、第２の偏向部１４、偏光回転部１５を有しており、偏光分離部１２と第２の偏向部１４との間には、ギャップ領域１３が設けられている。図２は、本実施の形態における偏光変換素子内における光の状態を示すものである。尚、この偏光変換素子に入射する入射光２１は、Ｓ偏光とＰ偏光の混在した光、また、光源等により発せられた偏光方向がランダムな光である。

図３に示すように、第１の偏向部１１は、例えば、ガラス等の透明基板上に複数の第１の領域１１ａと第２の領域１１ｂとが形成されており、第１の領域１１ａ及び第２の領域１１ｂにおける各々幅はＷとなるように形成されている。第１の領域１１ａに入射した光２１ａは、入射光２１の光軸に対し図面上、左側に角度θ傾いた方向に光２２ａとして出射される。また、第２の領域１１ｂに入射した光２１ｂは、入射光２１の光軸に対し図面上、右側に角度θ傾いた方向に光２２ｂとして出射される。よって、第１の偏向部１１における入射光２１は、第１の領域１１ａと第２の領域１１ｂとにおいて、入射光２１の光軸を挟んで相互に異なる向きに傾いた方向に光２２ａ及び光２２ｂとして出射される。尚、出射される光２２ａ及び光２２ｂにおける入射光２１の光軸に対する角度θは、２０°〜７０°の範囲内であることが好ましく、図２に示すように、４５°となるように形成してもよい。本実施の形態では、第１の領域１１ａから出射される光２２ａの傾き角度と、第２の領域１１ｂから出射される光２２ｂの傾き角度とが、同じ角度θとなる場合について説明しているが、出射される光２２ａと２２ｂとが光軸を挟んで反対方向となるものであればよく、相互に異なる角度となってもよい。また、Ｗの値は１０μｍから１００μｍ程度であることが好ましい。

このような第１の偏向部１１としては、例えば、図４に示すように、第１の領域１１ａと第２の領域１１ｂとが、互いに異なる傾きに削られているプリズム領域３１ａ、３１ｂが複数形成されたものが挙げられる。また、図５に示すように、第１の領域１１ａと第２の領域１１ｂとが、回折格子領域４１ａ、４１ｂにより形成されており、この回折格子領域４１ａ、４１ｂにより、入射光２１の光軸を挟んで相互に異なる向きに傾いた方向に光２２ａ及び光２２ｂとして出射するものであってもよい。尚、回折格子領域４１ａ、４１ｂは、図５には三角形の形状の回折格子が記載されているが、回折格子領域４１ａ及び４１ｂは、三角形の形状に限定されるものではなく、矩形形状の幅等を変調するデジタルブレーズ形状であってもよい。

このような第１の偏向部１１は、ガラス基板に直接形成されるものであるか、またはガラス基板上に形成されるものである。具体的には、第１の偏向部１１は、ガラス基板を加工することにより形成されたものであってもよく、また、ガラス基板上にＴｉＯ_２等の膜等を形成し、このＴｉＯ_２等の膜を加工することにより、図５に示すような回折格子領域４１ａ及び４１ｂを形成したものであってもよい。

このようにして、第１の偏向部１１に入射した光２１は、第１の領域１１ａから出射される光２２ａと、第２の領域１１ｂから出射される光２２ｂとして出射される。このように出射される光２２ａと光２２ｂは、入射光２１の光軸を挟んで相互に異なる向きに傾いた方向に出射される。

次に、偏光分離部１２について説明する。偏光分離部１２は、偏光分離部１２に入射した光に対し、０次光と１次回折光を出射する機能を有している。例えば、図６に示されるように、偏光分離部１２は、ガラス基板の表面に入射光２１の波長λと略同程度の周期Ａの回折格子が形成されているものであり、偏光分離板である。尚、この偏光分離部１２においては、Ｓ偏光成分は１次光として２θ傾いた方向に出射するように、回折格子は所定の形状で形成されている。このような偏光分離部１２に入射した光のうち、Ｐ偏光成分は０次光として、そのまま直進し、Ｓ偏光成分は１次光として２θ傾いた方向に出射する。

図７に基づき、偏光分離部１２について、より具体的に説明すると、第１の偏向部１１の第１の領域１１ａから出射した光２２ａは、偏光分離部１２に入射し、そのまま直進する０次光となるＳ偏光の光２３ａと、回折され１次光となるＰ偏光の光２３ｂとして出射される。また、第１の偏向部１１の第２の領域１１ｂから出射した光２２ｂは、偏光分離部１２に入射し、そのまま直進する０次光となるＳ偏光の光２３ｃと、回折され１次光となるＰ偏光の光２３ｄとして出射される。ここで、１次光となるＰ偏光の光２３ｂは、回折されるため角度２θ偏向して出射されるため、０次光となるＳ偏光の光２３ｃと、同一方向の光となる。また、１次光となるＰ偏光の光２３ｄは、回折されるため角度２θ偏向して出射されるため、０次光となるＳ偏光の光２３ａと、同一の方向となる。

次に、第２の偏向部１４について説明する。第２の偏向部１４は、ガラス基板等により形成された第２の偏向板であり、偏光分離部１２から出射した光２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを入射させることにより、入射光２１の光軸と略平行な方向に出射する機能を有している。

例えば、図８に示されるように、第２の偏向部１４は、ガラス基板上に入射光２１の波長より長い周期Ｂの回折格子が形成されており、第２の偏向部１４である第２の偏向板に垂直な方向に対しθで入射した光を第２の偏向板に垂直方向の光として出射させることができるものである。このため、第２の偏向部１４に形成される回折格子の周期Ｂは、下記の（１）に示す式を満たすよう形成されている。尚、形成される格子の高さ等は透過効率が高くなるように形成されている。

Ｂ×ｓｉｎθ＝λ・・・・・（１）

また、図９に示されるように、この第２の偏向部１４は、偏光分離部１２より所定の距離Ｃだけ離れた位置に、偏光分離部１２と略並行に設置する。これにより、偏光分離部１２と第２の偏向部１４との間の領域、即ち、距離Ｃだけ離れている領域がギャップ領域１３となる。これにより、Ｓ偏光の光２３ａとＳ偏光の光２３ｃとは、第２の偏向部１４において略同じ位置または、近接する位置に入射させることができる。このように入射したＳ偏光の光２３ａとＳ偏光の光２３ｃは合波されて、第２の偏向部１４よりＳ偏光の光２４ａとして、入射光２１の光軸と略平行な方向となる第２の偏向部１４に略垂直方向に出射させることができる。同様に、Ｐ偏光の光２３ｂとＰ偏光の光２３ｄとについても、第２の偏向部１４において略同じ位置または、近接する位置に入射させることができる。このように入射したＰ偏光の光２３ｂとＰ偏光の光２３ｄは合波されて、第２の偏向部１４よりＰ偏光の光２４ｂとして、入射光２１の光軸と略平行な方向となる第２の偏向部１４に略垂直方向に出射させることができる。

尚、ギャップ領域１３における距離Ｃは、第２の偏向部１４において、Ｓ偏光の光２３ａとＳ偏光の光２３ｃとが略同一の位置に入射し、更に、Ｐ偏光の光２３ｂとＰ偏光の光２３ｄとが略同一位置に入射するように、設定されていることが好ましく、具体的には、（２）に示す式を満たしていることが好ましい。

Ｃ＝Ｗ／（２×ｔａｎθ）・・・・（２）

また、第２の偏向部１４において、Ｓ偏光の光２３ａとＳ偏光の光２３ｃとの入射位置、及び、Ｐ偏光の光２３ｂとＰ偏光の光２３ｄとの入射位置は、近接していれば同様の効果を得ることができるため、Ｃの値の範囲は、上述した（２）に示される式により得られる値を中心とし所定の幅を有していてもよい。また、上記説明では、ギャップ領域１３は空間である場合について説明したが、ギャップ領域１３は、透明な材料により形成される所定の厚さの誘電体基板等により形成したものであってもよい。

次に、Ｓ偏光の光２４ａとＰ偏光の光２４ｂは、偏光回転部１５に入射する。偏光回転部１５は、偏光方向を変えることなくそのまま透過させる第３の領域１５ａと偏光方向を変えて出射させる第４の領域１５ｂにより形成されている。例えば、図１０に示すように、ガラス基板５１上の第４の領域１５ｂに、１／４波長板等からなる１／４位相差部５２を形成し第３の領域１５ａには１／４位相差部５２が形成されていない構造のものである。この１／４位相差部５２は、幅がＷであって、間隔がＷとなるように形成されている。即ち、第３の領域１５ａと第４の領域１５ｂは、各々の幅がＷとなるように形成されている。１／４位相差部５２は、色素含有ポリマー等からなる通常の１／４位相差部を形成してもよく、また、サブ波長構造、位相変調構造、旋光素子等により形成することも可能である。小型化や透過効率の観点からは、サブ波長構造、位相変調構造、旋光素子等により形成することが好ましい。このため、偏光回転部１５に形成される１／４位相差部５２は、図１１に示されるように、入射光２１の波長λ以下の周期構造の回折格子により形成することが好ましい。

また、図１２に示されるように、偏光回転部１５は、１／４位相差部５２が、入射光２１と平行な方向において、第１の偏向部１１における第１の領域１１ａと第２の領域１１ｂとの境界部分のうち、一方の境界部分５３が、１／４位相差部５２の略中央に位置するように設置される。よって、他方の境界部分５４は、１／４位相差部５２の間の領域の略中央に位置するように配置されている。これにより、図１３に示されるように偏光回転部１５に入射するＳ偏光の光２４ａは、そのままＳ偏光の光２５ａとして出射され、偏光回転部１５に入射するＰ偏光の光２４ｂは、偏光回転部１５における１／４位相差部５２を介しＳ偏光の光２５ｂとなり出射される。従って、偏光回転部１５より出射される光２５（２５ａ、２５ｂ）は、すべてＳ偏光の光となる。

このようにして、本実施の形態における偏光変換素子は、Ｐ偏光とＳ偏光が混在した光、偏光方向がランダムである光を、所定の偏光方向の光として出射することができる。

本実施の形態では、入射光２１のうち、Ｐ偏光の光についても、Ｓ偏光の光に変換して出射光２５として出射させることができるため、入射光に対し５０％以上の光利用効率を得ることができる。

また、第１の偏向部１１、偏光分離部１２、第２の偏向部１４及び偏光回転部１５の各々は、ガラス等の透明基板の表面を加工すること、または、ガラス等の透明基板にガラス等と異なる屈折率を有する膜を形成し、その膜を加工することにより得ることができるものである。即ち、本実施の形態における偏光変換素子を形成するための第１の偏向部１１、偏光分離部１２、第２の偏向部１４及び偏光回転部１５は、第１の偏向板、偏光分離板、第２の偏向板及び偏光回転板により形成されており、プリズム等の大型の部材を含むものではなく、作製の際に接着工程を必要とすることなく、光学的なアライメント等を行う必要もない。よって、本実施の形態における偏光変換素子では、容易に小型化にすることができ、また、低コストで製造することが可能である。

尚、上述した説明では、出射される光２５がＳ偏光の光として出射される場合につて説明したが、偏光回転部１５が設置される位置を変えることにより、Ｐ偏光の光を出射する偏光変換素子とすることができる。具体的には、偏光回転部１５における１／４位相差部５２が形成されている領域の位置が、Ｓ偏光の光が出射される場合と逆となるように配置することにより、Ｐ偏光の光を出射することができる。

また、上述した本実施の形態の説明では、第１の偏向部１１、偏光分離部１２、第２の偏向部１４及び偏光回転部１５を各々第１の偏向板、偏光分離板、第２の偏向板及び偏光回転板により形成したものについて説明したが、第１の偏向部１１、偏光分離部１２、第２の偏向部１４及び偏光回転部１５は、膜構造により形成することも可能である。例えば、基板上に、第１の偏向部１１及び偏光分離部１２について、各々を膜構造により所定の回折格子を形成し、同様に、第２の偏向部１４及び偏光回転部１５についても、各々を膜構造により所定の回折格子を形成した構造のものであってもよい。

また、ギャップ領域１３を透明なガラス基板により形成し、このガラス基板の一方の面に、偏光分離部１２及び第１の偏向部１１を膜構造により積層形成し、他方の面に、第２の偏向部１４及び偏光回転部１５を膜構造により形成したものであってもよい。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態とは異なる構成の偏光変換素子である。

図１４に基づき、本実施の形態における偏光変換素子について説明する。本実施の形態における偏光変換素子は、ガラス等からなる透明な基板である第１の基板６１と第２の基板により形成されている。

第１の基板６１の一方の面には、入射した光を偏向するための第１の偏向領域７１が形成されている。この第１の偏向領域７１は、出射する光が相互に異なる方向となるように回折格子またはプリズム等の形状に加工された第１の領域７１ａと第２の領域７１ｂとを有しており、第１の領域７１ａと第２の領域７１ｂは、交互に幅がＷとなるように形成されている。この第１の偏向領域７１は、第１の実施の形態における第１の偏向部１１としての機能を有するものである。また、第１の基板６１の他方の面には、入射光２１の波長λと程度の周期を有する回折格子が形成された偏光分離領域７２が形成されている。この偏光分離領域７２は、第１の実施の形態における偏光分離部１２としての機能を有するものである。

また、第２の基板６２の一方の面には、入射光２１の波長λよりも長い周期を有する回折格子が形成された第２の偏向領域７４が形成されている。この第２の偏向領域７４は、第１の実施の形態における第２の偏向部１４としての機能を有するものである。また、第２の基板６２の他方の面には、偏光回転領域７５が形成されている。偏光回転領域７５は、幅がＷの１／４位相差部７５ａが、１／４位相差部７５ａの間隔がＷとなるように形成されている。この偏光回転領域７５は、第１の実施の形態における偏光回転領域１５としての機能を有するものである。

このような第１の基板６１と第２の基板６２は、第１の基板６１の他方の面と第２の基板の一方の面とが対向するように配置され、第１の基板６１と第２の基板６２との間には、ギャップ領域７３が形成される。このギャップ領域７３は、第１の実施の形態におけるギャップ領域１３と同様のものである。

本実施の形態では、入射光２１は第１の基板６１の一方の面から入射して、第１の基板６１の他方の面から出射し、更に、第２の基板６２の一方の面に入射し、第２の基板６２の他方の面から出射光２５として出射する。よって、入射光２１は、第１の偏向領域７１、偏光分離領域７２、ギャップ領域７３、第２の偏向領域７４及び偏光回転領域７５を介し出射光２５として出射される。

本実施の形態では、２枚のガラス基板等により偏光変換素子を形成するため、より低コストで製造することができ、また、より小型化が可能である。

〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態における偏光変換素子は、第１の実施の形態及び第２の実施の形態における偏光変換素子に偏光選択部８０を設けた構造のものである。

例えば、図１５に示されるように、本実施の形態における偏光変換素子は、第１の実施の形態における偏光変換素子を構成する第１の偏向部１１、偏光分離部１２、第２の偏向部１４、偏光回転部１５に、更に、偏光選択部８０を設けた構造のものである。尚、偏光分離部１２と第２の偏向部１４との間には、所定の間隔のギャップ領域１３が設けられている。このような偏光変換素子においては、入射光２１は、第１の偏向部１１から入射させて、偏光選択部８０より出射光２６として出射させることができる。

また、図１６に示されるように、本実施の形態における偏光変換素子は、第２の実施の形態における偏光変換素子を構成する第１の基板６１、第２の基板６２に、更に、第２の基板６２の偏光回転領域７５が形成されている面側に、偏光選択部８０を設けた構造のものである。尚、第１の基板６１と第２の基板６２との間には、所定の間隔のギャップ領域７３が設けられている。このような偏光変換素子においては、入射光２１は、第１の基板６１から入射させて、偏光選択部８０より出射光２６として出射させることができる。

偏光選択部８０は、所定の方向の偏光を透過する偏光子であって、金属細線構造によるワイヤグリッド偏光子が好ましい。また、入射光２１が可視領域の光（波長０．４μｍ〜０．７μｍ）である場合には、金属細線構造を形成する金属材料はアルミニウム（Ａｌ）が好ましい。

このような偏光選択部８０を最終段に配置することにより、特定の偏光成分をより高い消光比で得ることができる。

以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。

１１ 第１の偏向部
１１ａ 第１の領域
１１ｂ 第２の領域
１２ 偏光分離部
１３ ギャップ領域
１４ 第２の偏向部
１５ 偏光回転部
１５ａ 第３の領域
１５ｂ 第４の領域
２１ 入射光
２５ 出射光
３１ａ プリズム領域
３１ｂ プリズム領域
４１ａ 回折格子領域
４１ｂ 回折格子領域
５１ ガラス基板
５２ １／４位相差部
６１ 第１の基板
６２ 第２の基板
７１ 第１の偏向領域
７２ 偏光分離領域
７３ ギャップ領域
７４ 第２の偏向領域
７５ 偏光回転領域
８０ 偏光選択部

特開２００２−１２２７３３号公報 特開２００１−３１８２１７号公報 特開２００４−６１９０５号公報 特開２００５−１０３７７号公報 特表２００３−５０２７０８号公報 特開２０００−１７１７５４号公報 特開２００５−１２８２４１号公報

「Rigorous concept for the design of diffractive microlenses with high numerical apertures」Journal of the Optical Society of America A, Vol14(4),pp901-906 (1997)）

Claims (13)

1. 入射した光を２つの方向に偏向させ出射させるものであって、前記２つの方向のうち、一方の方向に偏向させる第１の領域と、他方の方向に偏向させる第２の領域とが、各々所定の幅で交互に形成された第１の偏向部と、
   相互に直交する偏光成分の光を異なる角度で出射させる偏光分離部と、
   異なる入射角度の光を略同一の方向の出射角度の光として出射する第２の偏向部と、
   １／４位相差部が、前記所定の幅で、前記所定の幅と同じ長さの間隔で形成されている偏光回転部と、
   を有し、
   前記偏光分離部と前記第２の偏向部とは所定のギャップ間隔で配置され、
   前記第１の偏向部に入射する光の光軸方向、前記一方の方向及び前記他方の方向は、すべて同一面における方向であって、前記他方の方向は、前記光軸を介し、前記一方の方向とは反対方向となるものであって、
   前記第１の偏向部、前記偏光分離部、前記第２の偏向部、前記偏光回転部は、すべて各々透明な基板面に形成されていること、または、透明な基板上に形成された膜構造により形成されていることを特徴とする偏光変換素子。
2. 光を透過する第１の基板と第２の基板とを有し、
   前記第１の基板の一方の面には、入射した光を２つの方向に偏向させて光を出射させるものであって、前記２つの方向のうち、一方の方向に偏向させる第１の領域と、他方の方向に偏向させる第２の領域とが、各々所定の幅で交互に配置された第１の偏向部が形成されており、
   前記第１の基板の他方の面には、相互に直交する偏光成分の光を異なる角度で出射させる偏光分離部が形成されており、
   前記第２の基板の一方の面には、異なる入射角度の光を略同一の方向の出射角度の光として出射する第２の偏向部が形成されており、
   前記第２の基板の他方の面には、１／４位相差部が、前記所定の幅で、前記所定の幅と同じ長さの間隔で形成されている偏光回転部が形成されており、
   前記第１の基板の他方の面と前記第２の基板の一方の面とは所定のギャップ間隔で対向して配置されており、
   前記第１の偏向部に入射する光の光軸方向、前記一方の方向及び前記他方の方向は、すべて同一面における方向であって、前記他方の方向は、前記光軸を介し、前記一方の方向とは反対方向となるものであることを特徴とする偏光変換素子。
3. 前記光軸と前記一方の方向となす角は、前記光軸と前記他方の方向のなす角と等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の偏光変換素子。
4. 前記ギャップ間隔の間隔Ｃは、Ｗを前記所定の幅、θを前記光軸と前記一方の方向または前記他方の方向となす角とした場合に、
   Ｃ＝Ｗ／（２×ｔａｎθ）
   であることを特徴とする請求項３に記載の偏光変換素子。
5. 前記偏光分離部は、前記相互に直交する偏光成分のうち、一方の偏光成分の光を直進させ、他方の偏光成分の光を偏向させるものであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の偏光変換素子。
6. 前記偏光分離部には、前記入射する光の波長以下、または、同程度の周期を有する回折格子が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の偏光変換素子。
7. 前記偏光分離部は、前記偏光分離部に入射した光の０次回折光、１次回折光を出射するものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の偏光変換素子。
8. 前記第１の偏向部における前記第１の領域及び前記第２の領域には、前記基板面に対して傾斜を有する屈折面が各々形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の偏光変換素子。
9. 前記第１の偏向部における前記第１の領域及び前記第２の領域には、前記入射した光を各々異なる方向に偏向させるための回折格子が形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の偏光変換素子。
10. 前記第２の偏向部には、前記入射する光の波長よりも長い周期を有する回折格子が形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の偏光変換素子。
11. 前記第２の偏向部より出射した相互に直交する偏光成分の光のうち、一方の偏光成分の光を前記１／４位相差部に入射させ、他方の偏光成分の光を前記１／４位相差部の形成されていない領域に入射させるように、前記偏光回転部が設置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の偏光変換素子。
12. 前記偏光回転部より出射した光を入射させ、所定の偏光方向の光のみを出射させる偏光選択部が設けられていることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の偏光変換素子。
13. 前記偏光選択部は、前記入射する光の波長よりも短い周期の金属細線構造により形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の偏光変換素子。

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